דאנאוויי נולדה כדורותי פיי דאנאוויי, לעקרת הבית גרייס דאנאוויי ובעלה, ג'ון דאנאוויי, סמל בצבא ארצות הברית. את ילדותה בילתה בערים שונות בארצות הברית ובאירופה שם הוצב אביה במסגרת שירותו הצבאי. משבגרה למדה במחלקת התיאטרון שלאוניברסיטת בוסטון,אוניברסיטת המדינה של פלורידה ואוניברסיטת פלורידה. כשהתחילה לקדם את קריירת המשחק שלה, השמיטה משמה את השם "דורותי".
דאנאוויי החלה בקריירה שלשחקנית תיאטרון בניו יורק. בתחילה הופיעה בתפקידים שזכו לתשומת לב בהפקותאוף ברודוויי. ב-1962 שיחקה את בתו שלתומאס מור בהפקת המחזה "אדם לכל עת", ולאחר מכן בהצגות כ"לאחר הנפילה". בתפקידים אלו משכה תשומת לב שהביאה לקבלת תפקידיה הקולנועיים הראשונים.
בשנת1967 קיבלה את תפקידה הראשון בקולנוע בקומדיה בשם "The Happening", שתיארה את חטיפתו שלאיש עסקים עשיר בידי ארבעההיפים. באותה שנה שיחקה בסרטו שלאוטו פרמינגר "Hurry Sundown",מלודרמה אפית על יחסי לבנים ושחורים בדרום. סרטים אלו לא זכו להצלחה ביקורתית או קופתית.
כוכבה של דאנאוויי דרך עם הופעתה בסרטו שלארתור פן "בוני וקלייד". בסרט שיחקה דאנאוויי את השודדתבוני פרקר, שלצד שותפה, קלייד בארו, הטילה אימתה עלדרום-מערב ארצות הברית בתקופתהשפל הגדול. הסרט עסק באנשים צעירים החיים על זמן שאול בתקופה של שינוי תרבותי ומשבר חברתי, ועל אף שכלל שחזור נאמן לשנות ה-30, היה בגדר אמירה נוקבת על התקופה בה נוצר. "בוני וקלייד" היה לאחד הסרטים המגדירים של "תרבות הנגד" שלשנות ה-60, ואבן-דרך בקולנוע האמריקני שהחל עשור של סרטים מודעים פוליטית ובעלי אמירה חברתית נוקבת. למראה הבלונדיני והקריר של דאנאוויי, כמו גם לעוצמה הרגשית שהפגינה במשחקה, חלק ניכר בהצלחת הסרט. כשלצידהוורן בייטי, הצעיר והנאה, שיחקה דאנאוויי דמות מורכבת, מושכת, וטראגית. סצנת הסיום בה נקלעים בוני וקלייד למארב של ה-FBI, ובמשך כחצי דקה, בהילוך איטי, נפגעים ממטר של כדורים, קיבעה את דמותה של דאנאוויי בזיכרון הקולנועי, והייתה לאחד מסמלי התקופה. התפקיד הביא לדאנאוויי מועמדות לפרס האוסקר בשנת1967, אך באותה שנה ניתן הפרס לקתרין הפבורן על "נחש מי בא לסעוד".
תפקידה בסרטו שלרומן פולנסקי "צ'יינהטאון" נחשב על ידי רבים לטוב שבתפקידיה[1]. "צ'יינה טאון" הואסרט אפל שנוצר כעשרים שנה לאחר דעיכת הז'אנר, ועוסק בשחיתות שלטונית, ברצח ובגילוי עריות. דאנאוויי שיחקה את אוולין מולריי, בתו של איש העסקים העשיר נח קרוס (ג'ון יוסטון) המעורב במזימת נדל"ן הנחשפת במהלך הסרט על ידי הבלש הפרטי ג'ק גיטיס (ג'ק ניקולסון) אך אותה מזימה מושחתת היא רק סיפור רקע לסיפור האמיתי, בו ניהלה מולריי מערכת יחסים שלגילוי עריות עם אביה שהביאה ללידתה של בת. משחקה של דאנאוויי בתפקיד הדמות המורכבת, החידתית, המסתירה סוד אפל הנחשף לאיטו במהלך הסרט, הביא ליצירת סצנות בלתי נשכחות, כגון הסצנה בה חוקר ניקולסון את דאנאוויי מיהי הצעירה עמה נפגשה. "היא אחותי" עונה דאנאוויי. ניקולסון אינו מאמין לה, וסוטר לה על לחיה. "היא בתי" עונה דאנאוויי, וזוכה לסטירה נוספת. לבסוף היא מתוודה - "היא אחותי וגם בתי". גם על תפקיד זה הייתה דאנאוויי מועמדת לפרס אוסקר.
שיא הקריירה של דאנאוויי היה בסרט "רשת שידור" (1976) בו שיחקה את המפיקה קרת הרוח והאכזרית דיאנה כריסטנסן. הסרט היהסאטירה אכזרית על עולם התקשורת בארצות הברית, וזכה להצלחה קופתית וביקורתית. הדמות אותה שיחקה דאנאוויי, הוגדרה בידי אחת הדמויות בסרט, מקס שומכר (ויליאם הולדן) כ"התגלמות הטלוויזיה. אדישה לסבל, לא רגישה לשמחה, מצמצמת את כל החיים לגוש של באנאליות. מלחמה, רצח, מוות, נראים לה כבקבוקי בירה, ועיסוקה היום יומי הוא יצירת קומדיה מנוונת...". הסרט היה בין הסרטים המובילים בשנה בה הוקרן, וזכה למספר רב שלפרסי אוסקר. דאנאוויי זכתה באוסקר על תפקידה, כמו גם התסריטאיפאדי צ'ייבסקי, והשחקניםפיטר פינץ' וביאטריס סטרייט.
בשנת1981 הופיעה דאנאוויי בסרט "אמא יקרה", בה שיחקה את שחקנית הקולנוע האגדית משנות ה-40,ג'ואן קרופורד. הסרט נכתב על פי ספרה של בתה המאומצת של קרופורד, כריסטינה, שהעלתה טענות כלפי אמה על התעללות. היה זה תפקידה הגרוע ביותר של דאנאוויי, ורבים (ובהם דאנאוויי) סבורים כי הוא הביא לחורבן קריירת המשחק שלה. דאנאוויי, המאופרת בכבדות על מנת שתדמה לקרופורד, שיחקה משחק מוגזם וצעקני. את הבלונד הזוהר של בוני פארקר החליפה פאה נוכרית שחורה כבדה ומכוערת בניסיון להידמות לקרופורד. הסרט היה לכישלון מסחרי, והביא לדאנאוויי ביקורות שליליות במיוחד.
גם בשנים היפות של קריירת המשחק שלה שיחקה דאנאוויי דמויות הנמצאות במצוקה רגשית, על סף ההיסטריה ולעיתים אף מעבר לו. משחקה הצעקני וההיסטרי כקרופורד האיר באור מגוחך גם את תפקידיה הגדולים מהעבר.
דאנאוויי אינה נמנעת מהופעות בטלוויזיה. בשנת 2002 שיחקה בתפקיד אורח במספר פרקים בעונה השנייה של הסדרה ״זהות בדויה״. בשנת2005 ניסתה את כוחה בצוותתוכנית המציאות "הכוכבנית", תוכנית העשויה על פי הפורמט של "אמריקן איידול", בה בוחר צוות של שחקנים ובמאים את "הכוכבת הבאה". כן זכורה הופעתה בפרק מן הסדרה "זירת הפשע".
באוקטובר 2024, פורסם כי דאנאוויי תככב בסרט מתח על-טבעי בשםThe Evilry. דאנאוויי תגלם דמות בשם אנסטסיה, שמתגוררת בעיירה ומשמשת כמתווכת רוחנית המסייעת לאישה לחשוף את סודה האפל של בת דודתה. הצילומים יחלו באוקטובר 2024 בוירג'יניה המערבית.[2]
שמה של דאנאוויי נקשר לסדרה של גברים בעלי שם, החל מן הקומיקאילני ברוס, ועד לשחקןמרצ'לו מסטרויאני. היא הייתה נשואה פעמיים. בתחילה בין1974 ל-1979 לזמרפיטר וולף מ"ג'יי גיילס באנד", ולאחר מכן בין1984 ל-1987 לצלם הבריטי הידוע טרי או'ניל, ולזוג בן בשם ליאם או'ניל. בשנת2003 חשף או'ניל בראיון את העובדה כי הבן מאומץ.
בשנת1995 הוציאה לאורביוגרפיה שכותרתה: "מחפשת את גטסבי: חיי". הכותרת מתייחסת לתקרית בשנת 1974 בה הועדפהמיה פארו על פניה בהפקת הסרט "גטסבי הגדול".